(57)【要約】【課題】ホットロールの手法を用いながら、固体高分子電解質膜と触媒層との接着性が高く、皺が入ることがない、高品質の膜−電極接合体を製造することができる、膜−電極接合体製造装置及び膜−電極接合体の製造方法を提供する。【解決手段】触媒層を転写基材の一面に担持させてなる触媒層担持基材１２と固体高分子電解質膜１０とを予備加熱する予備加熱手段と、触媒層担持基材１２と固体高分子電解質膜１０とを加熱及び加圧して一体化した接合部材１４を形成する熱圧着手段と、接合部材１４から転写基材１６を剥離する剥離手段とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒層と固体高分子電解質膜とからなる膜−電極接合体を製造する膜−電極接合体製造装置であって、
前記触媒層を転写基材の一面に担持させてなる触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを予備加熱する予備加熱手段と、
前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを加熱及び加圧して一体化した接合部材を形成する熱圧着手段と、
前記接合部材から前記転写基材を剥離する剥離手段と
を備えることを特徴とする膜−電極接合体製造装置。
【請求項２】
前記接合部材から前記転写基材を剥離する前に、前記接合部材を温度調整する温度調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の膜−電極接合体製造装置。
【請求項３】
前記剥離手段が、前記転写基材と前記膜電極接合体とを略反対の方向に移動させて、前記接合部材から前記転写基材を剥離する手段であることを特徴とする請求項２に記載の膜−電極接合体製造装置。
【請求項４】
前記剥離手段が、前記温度調整手段を兼ねる手段であることを特徴とする請求項３に記載の膜−電極接合体製造装置。
【請求項５】
前記予備加熱手段が、前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを接触させた状態で予備加熱する手段であることを特徴とする請求項４に記載の膜−電極接合体製造装置。
【請求項６】
前記剥離手段が、前記接合部材の両面から前記転写基材を剥離する手段であることを特徴とする請求項５に記載の膜−電極接合体製造装置。
【請求項７】
前記予備加熱手段が、前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを接触させた状態で、前記固体高分子電解質膜の軟化温度以下まで予備加熱する第１の予備加熱手段からなることを特徴とする請求項１に記載の膜−電極接合体製造装置。
【請求項８】
前記熱圧着手段が、前記固体高分子電解質膜の軟化温度近傍で前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを加熱及び加圧し、前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とが一体化した接合部材前駆体を形成する第１の熱圧着手段と、前記接合部材前駆体を前記固体高分子電解質膜のガラス転移温度近傍の温度で加熱及び加圧して接合部材を形成する第２の熱圧着手段とからなることを特徴とする請求項７に記載の膜−電極接合体製造装置。
【請求項９】
前記接合部材前駆体を、前記固体高分子電解質膜のガラス転移温度以上であって、熱分解温度以下の温度まで予備加熱する第２の予備加熱手段をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の膜−電極接合体製造装置。
【請求項１０】
触媒層と固体高分子電解質膜とからなる膜−電極接合体を製造する膜−電極接合体製造方法であって、
前記触媒層を転写基材の一面に担持させてなる触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを予備加熱する予備加熱工程と、
前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを加熱及び加圧して一体化した接合部材を形成する熱圧着工程と、
前記接合部材から前記転写基材を剥離する剥離工程と
を備えることを特徴とする膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１１】
前記接合部材から前記転写基材を剥離する前に、前記接合部材を温度調整する温度調整工程をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１２】
前記剥離工程が、前記転写基材と前記膜電極接合体とを略反対の方向に移動させて、前記接合部材から前記転写基材を剥離する工程であることを特徴とする請求項１１に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１３】
前記剥離工程が、前記温度調整工程を兼ねる工程であることを特徴とする請求項１２に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１４】
前記予備加熱工程が、前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを接触させた状態で予備加熱する工程であることを特徴とする請求項１３に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１５】
前記剥離工程が、前記接合部材の両面から前記転写基材を剥離する工程であることを特徴とする請求項１４に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１６】
前記予備加熱工程が、前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを接触させた状態で、前記固体高分子電解質膜の軟化温度以下まで予備加熱する第１の予備加熱工程からなることを特徴とする請求項１０に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１７】
前記熱圧着工程が、前記固体高分子電解質膜の軟化温度近傍で前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを加熱及び加圧し、前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とが一体化した接合部材前駆体を形成する第１の熱圧着工程と、前記接合部材前駆体を前記固体高分子電解質膜のガラス転移温度近傍の温度で加熱及び加圧して接合部材を形成する第２の熱圧着工程とからなることを特徴とする請求項１６に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項１８】
前記第１の熱圧着工程後、前記接合部材前駆体を、前記固体高分子電解質膜のガラス転移温度以上であって、熱分解温度以下の温度まで予備加熱する第２の予備加熱工程をさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載の膜電極接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜−電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）製造装置及び膜−電極接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、膜−電極接合体の製造方法としては、触媒層担持基材と固体高分子電解質膜をホットプレスなどで熱圧着した後、転写基材を剥離する方法が提案されている。【０００３】
例えば、特許文献１には、ホットプレスを用いる手法、及びホットロール（熱圧着ロール）を用いる手法が開示されている。上記ホットロールを用いる手法は、長尺の固体高分子電解質膜とその両側に配された触媒層を担持した長尺の触媒層担持基材とを接触させ、一対の熱圧着ロールで熱圧着することによって、固体高分子電解質膜と触媒層とを一体的に接合し、その後触媒層を担持している転写基材を一対の剥離ロールを用いて触媒層から剥離している。【０００４】
一方、上記ホットプレスを用いる手法は、ホットプレスを用いて固体高分子電解質膜に触媒層担持基材上に担持された触媒層を転写する手法である。上記２つの手法を比べると、ホットロールを用いて転写する手法の方が、固体高分子電解質膜への触媒層の転写が連続的に行えるので、ホットプレスを用いて転写する手法よりも製造速度を向上させることができる。【０００５】
上記ホットロールを用いて転写する手法は、前記膜−電極接合体を熱圧着する時間が短いため、固体高分子電解質膜と触媒層の接着が弱いという問題があった。この問題について、特許文献２では、ホットロールによる熱圧着前に予備加熱ヒーターによって固体高分子電解質膜を予備加熱し、熱圧着することで、接着強度の強い膜−電極接合体を作製している。また、触媒層を担持している転写基材を事前に冷却し、更に熱圧着後の膜−電極接合体も同様に冷却することで、転写基材と触媒層の剥離強度を落とし、より良好な転写を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−６４５７４号公報
【特許文献２】特開２００１−１９６０７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、一般的な固体高分子電解質膜は、加熱により伸びが非常に大きくなる。熱圧着により伸張された固体高分子電解質膜と触媒層担持基材は、加熱がなくなることにより、外気による冷却で収縮が起こる。固体高分子電解質膜と触媒層担持基材は、熱による伸びが違うために、収縮の差により皺が発生する。冷却後に固体高分子電解質膜と触媒層担持基材を一体化した接合部材から触媒層担持基材を剥離すると、固体高分子電解質膜に皺が発生していることが確認されている。
特に、一般的な固体高分子電解質膜は、軟化温度（ガラス転移温度より３０度以上５０度以下程度低い温度とする。）以上に加熱した場合、伸びが非常に大きくなる。予備加熱機構を備える製造装置の場合、予備加熱時に固体高分子電解質膜と触媒層担持基材が伸張し、伸張率の差によって製造した膜―電極接合体に皺が発生することが確認されている。膜−電極接合体に皺が入ることは、その後の製造工程に悪影響を与え、膜−電極接合体の品質を低下させる。【０００８】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、ホットロールの手法を用いながら、固体高分子電解質膜と触媒層との接着性が高く、皺が入ることがない、高品質の膜−電極接合体を製造することができる、膜−電極接合体製造装置及び膜−電極接合体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、触媒層と固体高分子電解質膜とからなる膜−電極接合体を製造する膜−電極接合体製造装置であって、前記触媒層を転写基材の一面に担持させてなる触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを予備加熱する予備加熱手段と、前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを加熱及び加圧して一体化した接合部材を形成する熱圧着手段と、前記接合部材から前記転写基材を剥離する剥離手段とを備えることを特徴とする膜−電極接合体製造装置である。【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、前記接合部材から前記転写基材を剥離する前に、前記接合部材を温度調整する温度調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の膜−電極接合体製造装置である。【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、前記剥離手段が、前記転写基材と前記膜電極接合体とを略反対の方向に移動させて、前記接合部材から前記転写基材を剥離する手段であることを特徴とする請求項２に記載の膜−電極接合体製造装置である。【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、前記剥離手段が、前記温度調整手段を兼ねる手段であることを特徴とする請求項３に記載の膜−電極接合体製造装置である。【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、前記予備加熱手段が、前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを接触させた状態で予備加熱する手段であることを特徴とする請求項４に記載の膜−電極接合体製造装置である。【００１４】
また、請求項６に記載の発明は、前記剥離手段が、前記接合部材の両面から前記転写基材を剥離する手段であることを特徴とする請求項５に記載の膜−電極接合体製造装置である。【００１５】
また、請求項７に記載の発明は、前記予備加熱手段が、前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを接触させた状態で、前記固体高分子電解質膜の軟化温度以下まで予備加熱する第１の予備加熱手段からなることを特徴とする請求項１に記載の膜−電極接合体製造装置である。【００１６】
また、請求項８に記載の発明は、前記熱圧着手段が、前記固体高分子電解質膜の軟化温度近傍で前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを加熱及び加圧し、前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とが一体化した接合部材前駆体を形成する第１の熱圧着手段と、前記接合部材前駆体を前記固体高分子電解質膜のガラス転移温度近傍の温度で加熱及び加圧して接合部材を形成する第２の熱圧着手段とからなることを特徴とする請求項７に記載の膜−電極接合体製造装置である。【００１７】
また、請求項９に記載の発明は、前記接合部材前駆体を、前記固体高分子電解質膜のガラス転移温度以上であって、熱分解温度以下の温度まで予備加熱する第２の予備加熱手段をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の膜−電極接合体製造装置である。【００１８】
また、請求項１０に記載の発明は、触媒層と固体高分子電解質膜とからなる膜−電極接合体を製造する膜−電極接合体製造方法であって、前記触媒層を転写基材の一面に担持させてなる触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを予備加熱する予備加熱工程と、前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを加熱及び加圧して一体化した接合部材を形成する熱圧着工程と、前記接合部材から前記転写基材を剥離する剥離工程とを備えることを特徴とする膜−電極接合体の製造方法である。【００１９】
また、請求項１１に記載の発明は、前記接合部材から前記転写基材を剥離する前に、前記接合部材を温度調整する温度調整工程をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の膜−電極接合体の製造方法である。【００２０】
また、請求項１２に記載の発明は、前記剥離工程が、前記転写基材と前記膜電極接合体とを略反対の方向に移動させて、前記接合部材から前記転写基材を剥離する工程であることを特徴とする請求項１１に記載の膜−電極接合体の製造方法である。【００２１】
また、請求項１３に記載の発明は、前記剥離工程が、前記温度調整工程を兼ねる工程であることを特徴とする請求項１２に記載の膜−電極接合体の製造方法である。【００２２】
また、請求項１４に記載の発明は、前記予備加熱工程が、前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを接触させた状態で予備加熱する工程であることを特徴とする請求項１３に記載の膜−電極接合体の製造方法である。【００２３】
また、請求項１５に記載の発明は、前記剥離工程が、前記接合部材の両面から前記転写基材を剥離する工程であることを特徴とする請求項１４に記載の膜−電極接合体の製造方法である。【００２４】
また、請求項１６に記載の発明は、前記予備加熱工程が、前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを接触させた状態で、前記固体高分子電解質膜の軟化温度以下まで予備加熱する第１の予備加熱工程からなることを特徴とする請求項１０に記載の膜−電極接合体の製造方法である。【００２５】
また、請求項１７に記載の発明は、前記熱圧着工程が、前記固体高分子電解質膜の軟化温度近傍で前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とを加熱及び加圧し、前記触媒層担持基材と前記固体高分子電解質膜とが一体化した接合部材前駆体を形成する第１の熱圧着工程と、前記接合部材前駆体を前記固体高分子電解質膜のガラス転移温度近傍の温度で加熱及び加圧して接合部材を形成する第２の熱圧着工程とからなることを特徴とする請求項１６に記載の膜−電極接合体の製造方法である。【００２６】
また、請求項１８に記載の発明は、前記第１の熱圧着工程後、前記接合部材前駆体を、前記固体高分子電解質膜のガラス転移温度以上であって、熱分解温度以下の温度まで予備加熱する第２の予備加熱工程をさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載の膜電極接合体の製造方法である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の膜−電極接合体製造装置及び膜−電極接合体製造方法によれば、触媒層担持基材と固体高分子電解質膜を予備加熱し、固体高分子電解質膜と触媒層を伸張させた後に熱圧着することにより、膜−電極接合体に皺が形成されることを防ぐことができる。そして、固体高分子電解質膜と触媒層の接着強度を高めて、転写基材を剥離する際に固体高分子電解質膜から触媒層が剥離するのを防止することができる。
さらに、接合部材から転写基材を剥離する前に、接合部材の温度調整をすることにより、熱圧着後に接合部材が外気によって冷却されても、膜−電極接合体に皺が形成されることを防ぐとともに、固体高分子電解質膜と触媒層の接着強度を高めて、転写基材を剥離する際に固体高分子電解質膜から触媒層が剥離するのを防止できる。【００２８】
また、本発明の膜−電極接合体製造装置及び膜−電極接合体の製造方法によれば、触媒層担持基材と固体高分子電解質膜を加熱する予備加熱工程を２つに分割し、仮圧着工程を挟むことにより、皺のない接合部材前駆体を作製できる。その後に予備加熱２を行い、熱圧着することにより、膜−電極接合体に皺が形成されることを防ぐとともに、固体高分子電解質膜と触媒層の接着強度が高い接合部材が作製できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第一の実施形態の膜−電極接合体製造装置の概略図である。
【図２】本発明の第二の実施形態の膜−電極接合体製造装置の概略図である。
【図３】（ａ）は膜−電極接合体の概略図である。（ｂ）は接合部材の概略図である。
【図４】本発明の第一の実施形態の膜−電極接合体の製造工程図である。
【図５】本発明の第二の実施形態の膜−電極接合体の製造工程図である。
【図６】本発明の第一の実施形態の膜−電極接合体製造装置の変形例の構成の概略図である。
【図７】本発明の第二の実施形態の膜−電極接合体製造装置の変形例の構成の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（膜−電極接合体製造装置）
次に、本発明の一実施形態を説明する。なお、本発明の実施形態は、以下に記す実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更などの変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の実施形態の範囲に含まれるものである。
図１は、本発明の第一の実施形態の膜−電極接合体製造装置２０を説明するための概略図である。膜−電極接合体製造装置２０は、固体高分子電解質膜１０を巻き出す巻き出しローラー２２と、巻き出された固体高分子電解質膜１０の張力を除去する一対の張力除去ローラー２４と、触媒層を一面に担持する触媒層担持基材１２を巻き出す巻き出しローラー２６と、固体高分子電解質膜１０とこの固体高分子電解質膜１０と接触する触媒層担持基材１２とを接触させた状態で予備加熱する予備加熱ヒーター２８と、固体高分子電解質膜１０と触媒層担持基材１２とを加熱及び加圧して接合部材１４とする一対の熱圧着ローラー３０と、接合部材１４を温度調整する温度調整ヒーター４４と、接合部材１４から転写基材１６を剥離する剥離ローラー３６と、転写基材１６の剥離角度を設定する剥離角度設定ローラー３８と、転写基材１６を巻き取る巻き取りローラー４２と、転写基材１６が剥離されてなる膜−電極接合体１８を巻き取る巻き取りローラー４０とを備える。
【００３１】
図２は、本発明の第二の実施形態の膜−電極接合体製造装置２０を説明するための概略図である。膜−電極接合体製造装置２０は、固体高分子電解質膜１０を巻き出す巻き出しローラー２２と、巻き出された固体高分子電解質膜１０の張力を除去する一対の張力除去ローラー２４と、触媒層を一面に担持する触媒層担持基材１２を巻き出す巻き出しローラー２６と、固体高分子電解質膜１０とこの固体高分子電解質膜１０と接触する触媒層担持基材１２とを接触させた状態で、軟化温度以下まで予備加熱する予備加熱ヒーター２７と、固体高分子電解質膜１０と触媒層担持基材１２とを加熱及び加圧して接合部材前駆体１３とする一対の仮圧着ローラー２９と、接合部材前駆体１３をガラス転移温度以上、熱分解温度以下まで昇温させる予備加熱ヒーター２８と、接合部材前駆体１３を加熱加圧して接合部材１４とする一対の熱圧着ローラー３０と、接合部材１４を温度調整する温度調整ヒーター４４と、接合部材１４から転写基材１６を剥離する剥離ローラー３６と、転写基材１６の剥離角度を設定する剥離角度設定ローラー３８と、転写基材１６を巻き取る巻き取りローラー４２と、転写基材１６が剥離されてなる膜電極接合体１８を巻き取る巻き取りローラー４０とを備える。
【００３２】
図２（ａ）は、膜−電極接合体１８の概略図である。また、図２（ｂ）は、接合部材１４の概略図である。図２（ａ）のように、膜−電極接合体１８は、図２（ａ）のように、固体高分子電解質膜１０と、その両面に設けられた触媒層５０とからなる。膜−電極接合体１８は、図２（ｂ）のように、固体高分子電解質膜１０の両面に、触媒層担持基材１２を、触媒層が担持された面を固体高分子電解質膜１０側にして貼り合わせて接合部材１４を形成した後、転写基材１６を剥離することによって形成される。
【００３３】
固体高分子電解質膜１０は、湿潤状態で良好なプロトン導電性を示す高分子材料である。触媒層担持基材１２は、白金又は白金と他の金属との合金からなる触媒を担持した粉末カーボンと樹脂により形成された触媒層５０を転写基材１６の一面に形成したものである。
以下、固体高分子電解質膜１０及び触媒層担持基材１２を構成する材料の具体例を挙げるが、本発明はこれらに限定されない。
【００３４】
固体高分子電解質膜１０を構成する高分子材料としては、具体的には、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いることができる。フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、旭硝子（株）製Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、旭化成（株）製Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、ゴア社製Ｇｏｒｅ  Ｓｅｌｅｃｔ（登録商標）などを用いることができる。炭化水素系高分子電解質膜としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質膜を用いることができる。中でも、高分子電解質膜としてデュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）系材料を好適に用いることができる。炭化水素系高分子電解質膜としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質膜を用いることができる。
固体高分子電解質膜１０の厚みは、１０μｍ以上３００μｍ以下程度に形成される。
【００３５】
触媒層５０を構成する樹脂としては、上記高分子材料と同様のものを用いることができる。
また、触媒層５０を構成する触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素のほか、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属若しくは白金とこれらの合金、又はこれらの酸化物、複酸化物などを用いることができる。その中でも、白金や白金合金がより好ましい。また、触媒の粒径は、大きすぎると触媒の活性が低下し、小さすぎると触媒の安定性が低下するため、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましい。
また、触媒層５０を構成する粉末カーボンとしては、微粒子状で導電性を有し、触媒に侵さないものであれば特に限定されない。具体的には、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンなどを用いることができる。粉末カーボンの粒径は、触媒より小さい１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度が好適に用いられる。
【００３６】
転写基材１６は、その表面に触媒層５０を形成でき、形成した触媒層５０を固体高分子電解質膜１０に転写できれば、特に限定されないが、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド（ナイロン）、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアクリレート、ポリエチレンナフタレート等の高分子フィルムを用いることができる。また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリテトラフルオロエチレン等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。
【００３７】
張力除去ローラー２４は、熱圧着ローラー３０の回転による固体高分子電解質膜１０及び触媒層担持基材１２の搬送速度と同期するよう回転する。そして、熱圧着ローラー３０で熱圧着される際に、固体高分子電解質膜１０及び触媒層担持基材１２に張力が作用しないようにする。こうすることにより、固体高分子電解質膜１０及び触媒層担持基材１２の熱圧着の際の変形を抑制することができる。また、張力除去ローラー２４は、固体高分子電解質膜１０と触媒層担持基材１２を接触させる機能も有する。
【００３８】
予備加熱ヒーター２７は、固体高分子電解質膜１０と触媒層担持基材１２とを接触させた状態で、固体高分子電解質膜１０の軟化温度以下の６０度以上１２０度以下の範囲内で設定された温度に加熱できるようになっている。
【００３９】
一対の仮圧着ローラー２９には、両方の仮圧着ローラー２９の内部に、表面を加熱するヒーター３１Ｂが設けられている。また、一方の仮圧着ローラー２９には、仮圧着ローラー間に圧力を作用させる加圧装置３２Ｂが取り付けられている。ヒーター３１Ｂは、仮圧着ローラー２９の表面が加圧される固体高分子電解質膜１０の軟化温度近傍の６０度以上１２０度以下の範囲内になるように調節されている。また、加圧装置３２Ｂは、熱圧着ローラー２９間に作用される圧力が１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下の範囲内になるように調節されている。仮圧着ローラー２９は、図２のように上下ともに加熱できるようになっている。このように、固体高分子電解質膜１０と触媒層担持基材１２を接触させた状態で予備加熱ヒーター２７によって予備加熱し、仮圧着ローラー２９によって仮圧着することで、触媒層５０と固体高分子電解質膜１０とを皺のない安定した形状を持つ接合部材前駆体１３にすることができる。
【００４０】
予備加熱ヒーター２８は、接合部材前駆体１３を固体高分子電解質膜１０のガラス転移温度以上、熱分解温度以下、具体的には８０度以上１４０度以下の範囲内で設定された温度に加熱できるようになっている。
【００４１】
一対の熱圧着ローラー３０には、両方の熱圧着ローラー３０の内部に、表面を加熱するヒーター３１が設けられている。また、一方の熱圧着ローラー３０には、熱圧着ローラー間に圧力を作用させる加圧装置３２が取り付けられている。ヒーター３１は、加圧される固体高分子電解質膜１０のガラス転移温度近傍の８０度以上１４０度以下の範囲内になるように調節されている。また、加圧装置３２は、熱圧着ローラー３０間に作用される圧力が１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下の範囲内になるよう調節されている。熱圧着ローラー３０は、図１、２のように上下ともに加熱できるようになっている。このように、固体高分子電解質膜１０と触媒層担持基材１２を接触させた状態で予備加熱ヒーター２７又は２８によって予備加熱し、熱圧着ローラー３０によって熱圧着することで、触媒層５０と固体高分子電解質膜１０との接着度を向上させることができる。
【００４２】
温度調整ヒーター４４は、接合部材１４を６０度以上１２０度以下の範囲内で設定された温度に調節するようになっている。また、温度調整ヒーター４４は、熱圧着による温度から２０度程度低い温度にまで温度調整することができる。
【００４３】
剥離ローラー３６、剥離角度設定ローラー３８は、剥離ローラー３６により剥離される転写基材１６と膜−電極接合体１８とを略反対の方向に移動できるように、その位置、直径が調節されている。例えば、剥離ローラー３６を直径３０ｍｍ以下とし、剥離される転写基材１６と膜−電極接合体１８との角度が略１８０度となるように調節される。
【００４４】
（膜−電極接合体の製造方法）
次に、本実施形態の膜−電極接合体製造装置２０により膜−電極接合体１８が製造される各工程について説明する。
図４は、膜−電極接合体１８の製造の工程を例示する第一の実施形態の製造工程図である。また、図５は、膜−電極接合体１８の製造の工程を例示する第二の実施形態の製造工程図である。膜−電極接合体１８の製造は、まず、巻き出しローラー２２から巻き出された固体高分子電解質膜１０及び巻き出しローラー２６から巻き出された触媒層担持基材１２を張力除去ローラー２４により接触させ、かつ張力を除去する。張力除去された固体高分子電解質膜１０と触媒層担持基材１２を接触させた状態で、予備加熱ヒーター２７により予備加熱される（工程Ｓ１０）。この予備加熱は、この予備加熱は、６０度以上１２０度以下の範囲内で設定された温度によって行われる。また、工程Ｓ１０の予備加熱を、以下、予備加熱工程又は予備加熱工程１とも記す。
【００４５】
固体高分子電解質膜１０及び触媒層担持基材１２の予備加熱は、張力除去ローラー２４によって両者を接触させた状態で行われる。このとき、互いに接している固体高分子電解質膜１０と触媒層担持基材１２は、予備加熱ヒーター２８の内部に搬送される。固体高分子電解質膜１０及び触媒層担持基材１２を接触させた状態で予備加熱するのは、固体高分子電解質膜１０と、触媒層担持基材１２上に担持している触媒層５０を密着させ、固体高分子電解質膜１０と触媒層５０との接着強度を高め、皺なく貼合せするためである。
【００４６】
次に、予備加熱された固体高分子電解質膜１０と触媒層担持基材１２とは、互いに接触した状態のままヒーター３１Ｂ及び加圧装置３２Ｂを有する仮圧着ローラー２９で加熱及び加圧（ホットプレス）される。加熱、加圧された固体高分子電解質膜１０と触媒層担持基材１２とは、接合部材前駆体１３となる（工程Ｓ１１）。なお、工程Ｓ１１のホットプレスを、本実施形態では仮圧着とも記す。仮圧着は、予備加熱工程１の設定温度と同じ温度（６０度以上１２０度以下）の範囲内で設定された温度によって行われる。加圧は、１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下の範囲内で設定された圧力で行われる。この理由は、仮圧着を予備加熱工程１より低い温度で行うと、後工程にて固体高分子電解質膜１０と触媒層５０に皺が発生し、膜電極接合体を作製できないためである。また、予備加熱工程１の温度範囲より高い温度では、固体電解質膜が熱で変形し、皺が発生するためである。仮圧着の加圧についても、圧力が１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下の範囲より低い場合、接着力が足りずに接合部材前駆体１３が作製できず、１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下の圧力範囲より高い場合、高圧力によって接合部材前駆体１３が劣化してしまう。
【００４７】
次に、接合部材前駆体１３は、予備加熱ヒーター２８によって固体高分子電解質膜１０のガラス転移温度以上、熱分解温度以下まで昇温される（工程Ｓ１２）。ガラス転移温度以上、熱分解温度以下の具体的な温度は、８０度以上１４０度以下の範囲内で設定された温度である。また、工程Ｓ１２の予備加熱を、予備加熱工程２とも記す。工程Ｓ１２を行うことにより、固体高分子電解質膜１０と触媒層５０の接着強度を向上させることができる。
【００４８】
次に、予備加熱され、接触させた状態の固体高分子電解質膜１０及び触媒層担持基材１２、又は接合部材前駆体１３は、熱圧着ローラー３０で加熱及び加圧（ホットプレス）されて接合部材１４となる（工程Ｓ１３）。なお、工程Ｓ１３のホットプレスを、本実施形態では熱圧着とも記す。熱圧着は、８０度以上１４０度以下の範囲内で設定された温度で、１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下の範囲内で設定された圧力で行われる。上記範囲より低い温度では、固体高分子電解質膜１０と触媒層５０の結合が悪く、膜−電極接合体を作製できず、前記範囲より高い温度では、固体電解質膜が熱で変形し、劣化してしまう。また、圧力についても同様に、上記範囲より低い圧力の場合、膜−電極接合体が作製できず、上記範囲より高い圧力の場合、高圧力によって膜−電極接合体が劣化してしまう。
【００４９】
接合部材１４は、温度調整ヒーター４４により、熱圧着による温度から２０度程度低い温度にまで温度調整される（工程Ｓ１４）。そして、剥離ローラー３６により接合部材１４から転写基材１６が剥離される（工程Ｓ１５）。以上の工程により、膜−電極接合体１８が作製される。なお、完成した膜−電極接合体１８は、巻き取りローラー４２に巻き取られ、剥離した転写基材１６は巻き取りローラー４０に巻き取られる。
【００５０】
以上説明した本実施形態の膜−電極接合体製造装置２０及び膜−電極接合体の製造方法によれば、固体高分子電解質膜１０及び触媒層担持基材１２をホットプレスする前に張力除去ローラー２４で固体高分子電解質膜１０及び触媒層担持基材１２を予備的に接触させ、その後、予備加熱ヒーター２７によって予備加熱をすることにより、固体高分子電解質膜１０と触媒層５０との接着強度を高めることができる。
特に、予備加熱ヒーター２７によって固体高分子電解質膜１０の軟化温度以下まで予備加熱し、仮圧着ローラー２９によって仮圧着することにより、固体高分子電解質膜１０と触媒層担持基材１２とを皺がない接合部材前駆体１３に加工することができる。さらに、接合部材前駆体１３を予備加熱ヒーター２８によって固体高分子電解質膜１０のガラス転移温度以上、熱分解温度以下まで昇温し、熱圧着ローラー３０で圧着することで、固体高分子電解質膜１０と触媒層５０の接着が強い接合部材１４を作製することができる。
【００５１】
また、触媒層担持基材１２を温度調整ヒーター４４により温度調整したあとに、接合部材１４からの転写基材１６の剥離を行うことで、外気等による冷却によって生じる膜−電極接合体１８の皺を防ぐことができる。
特に、触媒層担持基材１２を温度調整ヒーター４４により熱圧着ローラー３０から２０度低く温度調整した後に、接合部材１４からの転写基材１６の剥離を行うことで、外気等による冷却によって生じる膜電極接合体１８の皺を防ぐことができる。
【００５２】
また、剥離ローラー３６を３０ｍｍ以下の直径とすると共に、転写基材１６と膜−電極接合体１８とを略１８０度の角度を持つようにすることで、転写基材１６の剥離性を向上させることができ、良好な形状の膜−電極接合体１８を製造することができる。
【００５３】
本実施形態である膜−電極接合体製造装置２０では、触媒層担持基材１２と固体高分子電解質膜１０を張力除去ローラー２４によって接触させ、予備加熱するが、この予備加熱は、触媒層担持基材１２と固体高分子電解質膜１０をそれぞれ別個に行われてもよい。ただし、本実施形態では、図１、２のように、触媒層担持基材１２と固体高分子電解質膜１０とが接触した状態で予備加熱されることが好ましい。なお、図１、２では、固体高分子電解質膜１０と触媒層担持基材１２とを接触させた状態で、両面から予備加熱を行っているが、固体高分子電解質膜１０と触媒層担持基材１２とを接触させた状態で、一方の面のみから予備加熱を行ってもよい。
【００５４】
また、本実施形態である膜−電極接合体製造装置２０では、予備加熱ヒーター２７の設定温度は、固体高分子電解質膜１０や触媒層担持基材１２の材料によって定まるものであるから、場合によっては、上述の６０度以上１２０度以下の範囲内で設定された温度に限られず、固体高分子電解質膜１０や触媒層担持基材１２の材料に適応する温度を適宜設定すればよい。但し、予備加熱ヒーター２７の設定温度は、固体高分子電解質膜１０の軟化温度以下であることがより好ましい。
【００５５】
また、本実施形態である膜−電極接合体製造装置２０では、予備加熱ヒーター２８の設定温度は、固体高分子電解質膜１０や触媒層担持基材１２の材料によって定まるものであるから、場合によっては、上述の８０度以上１４０度以下の範囲内で設定された温度に限られず、固体高分子電解質膜１０や触媒層担持基材１２の材料に適応する温度を適宜設定すればよい。但し、予備加熱ヒーター２８の設定温度は、固体高分子電解質膜１０のガラス転移温度以上熱分解温度以下であることがより好ましい。
【００５６】
また、本実施形態である膜−電極接合体製造装置２０では、仮圧着ローラー２９の表面温度又は圧力は、固体高分子電解質膜１０や触媒層担持基材１２の材料によって定まるものであるから、場合によっては、上述の６０度以上１２０度以下の範囲内で設定された温度又は１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下の範囲内で設定された圧力に限られず、固体高分子電解質膜１０や触媒層担持基材１２の材料に適応する温度又は圧力を適宜設定すればよい。但し、仮圧着ローラー２９の表面温度は、固体高分子電解質膜１０の軟化温度近傍であることがより好ましい。
【００５７】
また、本実施形態である膜−電極接合体製造装置２０では、熱圧着ローラー３０の表面温度又は圧力は、固体高分子電解質膜１０や触媒層担持基材１２の材料によって定まるものであるから、場合によっては、上述の８０度以上１４０度以下の範囲内で設定された温度又は１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下の範囲内で設定された圧力に限られず、固体高分子電解質膜１０や触媒層担持基材１２の材料に適応する温度又は圧力を適宜設定すればよい。但し、熱圧着ローラー３０の表面温度は、固体高分子電解質膜１０のガラス転移温度近傍であることがより好ましい。
【００５８】
また、本実施形態である膜−電極接合体製造装置２０では、温度調整ヒーター４４により接合部材１４を温度調整するものとしたが、熱圧着ローラー３０と剥離ローラー３６との搬送時間を短くすることで、接合部材１４の温度を高いまま保つものとしてもよい。また、図１、２では、接合部材１４の両面から温度調整を行っているが、一方の面のみから温度調整を行ってもよい。
【００５９】
また、本実施形態である膜−電極接合体製造装置２０では、剥離ローラー３６を直径３０ｍｍ以下としたが、触媒層５０と転写基材１６との接着強度と触媒層と固体高分子電解質膜１０との接着強度との大小によっては、直径３０ｍｍより大きなものを用いるものとしてもよい。
【００６０】
また、本実施形態である膜−電極接合体製造装置２０では、剥離ローラー３６により剥離される転写基材１６と膜−電極接合体１８とが略１８０度の角度を持つように調節してもよいが、転写基材１６の剥離性を考慮して、１８０度以外の角度となるように調節してもよい。
【００６１】
また、本実施形態である膜−電極接合体製造装置２０では、接合部材１４の温度が、温度調整ヒーター４４によって調整されていたが、剥離ローラー３６の内部にヒーターを取り付け、温度調整を行うと同時に剥離を行うようにしてもよい。
【００６２】
また、本実施形態である膜−電極接合体製造装置２０は、少なくとも、触媒層担持基材１２と固体高分子電解質膜１０とを予備加熱する予備加熱手段（例えば、予備加熱ヒーター２７がこれに相当する。）と、接合部材１４を形成する熱圧着手段（例えば、熱圧着ローラー３０がこれに相当する。）と、接合部材１４から転写基材１６を剥離する剥離手段（例えば、剥離ローラー３６がこれに相当する。）とを備えていればよい。
さらに、本発明の効果をより発現させるために、これらの構成に、接合部材１４を温度調整する温度調整手段（例えば、温度調整ヒーター４４がこれに相当する。）、接合部材前駆体１３を形成する第１の熱圧着手段（例えば、仮圧着ローラー２９がこれに相当する。）、接合部材前駆体１３を予備加熱する第２の予備加熱手段（例えば、予備加熱ヒーター２８がこれに相当する。）などを単独又は複数組み合わせて追加してもよい。
【００６３】
（変形例）
本実施形態である膜−電極接合体製造装置２０では、固体高分子電解質膜１０の一方の面に触媒層５０を接合してなる膜−電極接合体１８を製造するものとしたが、固体高分子電解質膜１０の両面に触媒層５０を接合してなる膜−電極接合体１８Ｂを製造するものとしてもよい。
図６、７は、それぞれ第一の実施形態、第二の実施形態の膜−電極接合体製造装置２０の変形例である膜−電極接合体製造装置２０Ｂを説明するための概略図である。膜−電極接合体製造装置２０Ｂは、図示するように、巻き出しローラー２２から巻き出された固体高分子電解質膜１０と二つの巻き出しローラー２６Ａ、２６Ｂから巻き出され２枚の触媒層担持基材１２Ａ、１２Ｂは張力除去ローラー２４により接触させ、かつ張力を除去する。
【００６４】
次に、接触させた固体高分子電解質膜１０と触媒層担持基材１２Ａ、１２Ｂは、予備加熱ヒーター２７により予備加熱され、ヒーター３１及び加圧装置３２を有する熱圧着ローラー３０により熱圧着される。
【００６５】
または、接触させた固体高分子電解質膜１０と触媒層担持基材１２Ａ、１２Ｂは、予備加熱ヒーター２７によって軟化温度以下まで予備加熱され、ヒーター３１Ｄ及び加圧装置３２Ｄを有する仮圧着ローラー２９によって仮圧着され、接合部材前駆体１３Ｂとなる。その後、接合部材前駆体１３Ｂは、予備加熱ヒーター２８によって固体高分子電解質膜１０のガラス転移温度以上熱分解温度以下にまで昇温される。昇温された接合部材前駆体１３Ｂは、ヒータ３１Ｃ及び加圧装置３２Ｃを有する熱圧着ローラー３０により熱圧着される。
【００６６】
熱圧着により接合された接合部材１４Ｂは、温度調整ヒーター４４によって熱圧着ローラー３０の温度から２０度低く調整される。その後、転写基材１６Ａ，１６Ｂが、二つの剥離ローラー３６Ａ，３６Ｂと、二つの剥離角度設定ローラー３８Ａ，３８Ｂにより、接合部材１４Ｂから剥離されて、固体高分子電解質膜１０の両面に触媒が接合された膜−電極接合体１８Ｂが作製される。なお、膜−電極接合体１８Ｂは、巻き取りローラー４０に巻き取られ、２枚の転写基材１６Ａ、１６Ｂは、それぞれ巻き取りローラー４２Ａ，４２Ｂに巻き取られる。
【００６７】
以上説明した変形例の膜−電極接合体製造装置２０Ｂによれば、固体高分子電解質膜１０の両面に触媒層５０が良好な形状で接合された膜−電極接合体１８Ｂを製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、優れた品質の膜−電極接合体（ＭＥＡ）を効率的に製造することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１０  固体高分子電解質膜
１２，１２Ａ，１２Ｂ  触媒層担持基材
１３，１３Ｂ  接合部材前駆体
１４，１４Ｂ  接合部材
１６，１６Ａ，１６Ｂ  転写基材
１８，１８Ｂ  膜−電極接合体
２０，２０，２０Ｂ  膜−電極接合体製造装置
２２  巻き出しローラー
２４  張力除去ローラー
２６，２６Ａ，２６Ｂ  巻き出しローラー
２７，２８  予備加熱ヒーター
２９  仮圧着ローラー
３０  熱圧着ローラー
３１，３１Ｂ、３１Ｃ，３１Ｄ  ヒーター
３２，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄ  加圧装置
３６，３６Ａ，３６Ｂ  剥離ローラー
３８，３８Ａ，３８Ｂ  剥離角度設定ローラー
４０  巻き取りローラー
４２，４２Ａ，４２Ｂ  巻き取りローラー
４４  温度調整ヒーター
５０  触媒層
【図１】
2011111419.tif 000003
【図２】
2011111419.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2011111419.tif 000007
【図６】
2011111419.tif 000008
【図７】
2011111419.tif 000009
【国際調査報告】
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2011111419.tif 000011
2011111419.tif 000012
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